Éolienne sans pales

Une éolienne sans pale est un dispositif permettant la production d’énergie éolienne, qui se caractérise par une absence du système rotatif présent sur le modèle conventionnel. Elle permet d’exploiter la force cinétique du vent afin de la transformer en énergie électrique. Cependant, les prototypes développés ne présentent pas la même structure, bien que l’absence des pales soit commune à tous ces modèles. Certains d’entre eux seront reliés au sol par la présence de mâts verticaux tandis que d’autres sont conçus comme des systèmes de poche.

De nombreuses différences existent donc entre ces éoliennes qui se distinguent des éoliennes actuelles.

Prototypes

Saphonian

Ce prototype d'éolienne sans pales a été conçu au sein de l'entreprise tunisienne Saphon Energy. Le système capte l'énergie cinétique du vent grâce à une voile pour la transformer en énergie mécanique, qui peut être stockée en électricité à l'aide de pistons générateurs de pression hydraulique.

Le but initial est de produire de l’électricité verte à travers l’Afrique pour en fournir aux pays en développement et dans les pays où les raccords énergétiques ne sont pas possibles.

Historique et récompenses

• 2012: création de la start-up par Anis Aouini, et son associé, Hassine Labaied. Année marquée également par l’obtention du « prix de l’innovation KPMG », qui va permettre à la start-up de se faire connaître et de gagner en notoriété.

• 2013: le "Sustainable Entrepreneurship Award" récompense l’entreprise avec le prix du «SEA Best Idea Award 2013» à Vienne, pour son implication dans le développement durable.

• 2014: signature d’une alliance stratégique avec Microsoft, qui leur offre un soutien financier.

• 2015: Victoire dans le «Gulfstream Navigator Award», qui récompense les entreprises présentant un impact positif sur la santé, l’environnement et l’économie.

• Avril 2016 : la première version industrielle de «Saphonian» est dévoilée à Raoued.

Principe de fabrication et mode de fonctionnement

Le Saphonian se caractérise donc par un système innovant, « Zero Blade Technology » .

Le prototype est dépourvu de pales et de système rotatif. Ces éléments sont remplacés par un système de voile incurvée qui va suivre le mouvement du vent en se déplaçant de manière tridimensionnelle et en dessinant un nœud par l’intermédiaire de va et vient.

Caractéristiques

Sur le plan écologique, ce nouveau prototype présente quelques vibrations qui peuvent éventuellement être perçues par le voisinage. Cette absence de système rotatif permet en revanche de ne pas perturber les ondes de communications, aussi bien pour la radio, la télévision et les radars de détection civile et militaire. L’avifaune et les chiroptères seraient moins impactés par ce système en raison de l'absence de pales. Toutefois, la structure reste un obstacle dans l'espaces aérien, notamment les machines de grande puissance, et constituent donc un risque pour les oiseaux migrateurs par faible visibilité, la nuit ou par mauvais temps.

Un stockage de l’énergie est possible par l’intermédiaire d’un accumulateur hydraulique.

À la suite des nombreuses recherches réalisées par la start-up, le rendement maximal de la Saphonian, initialement limitée à la limite de Betz qui stipulait que la part de l’énergie cinétique du vent étant transformée en énergie mécanique ne peut pas dépasser 59%, a pu être dépassée.

Cependant, elle produit de l'énergie de manière intermittente car la hauteur de son mât ne lui permet pas d'atteindre des zones où les vents sont davantage constants. Ainsi, l'absence de vent ne lui permet pas de produire de l'énergie.

Implantation

Ces nouvelles éoliennes ne présentent pas de contraintes sur leur lieu d’installation, elles peuvent être disposées sur de nombreux espaces. En effet, les restrictions qui peuvent être liées aux ondes radars et au bruit ne sont pas à prendre en compte. La conformation de cette éolienne facilite son transport et son installation. Elle offre donc des possibilités d’implantation larges, qui peuvent même s’étendre jusque dans les zones urbaines malgré la présence de vents turbulents. En effet ces derniers permettraient d’augmenter la force aérodynamique de la Saphonienne et ainsi réduire les coûts liés aux raccords sur le réseau.

Devenir de cette éolienne

L’obtention d’un brevet international en 2013, a permis à l’entreprise d’obtenir la collaboration d’une banque indienne pour mettre en place un contrat pour l’installation d’un parc éolien composé de 50 saphoniennes fournissant une énergie de 20 kWh chacune.

Vortex : L’éolienne sans ellipse

L'éolienne Vortex bladeless est une éolienne sans pale inventée par une startup espagnole créée par David Yáñez, David Suriol et Raúl Martín. Les trois hommes avaient pour ambition de produire de l’électricité dans des zones résidentielles, ce qui les a conduit à concevoir cette éolienne sans ellipse.

En 2013, la star-tup voit le jour grâce au financement de Repsol, une compagnie pétrolière espagnole.

Actuellement, ces éoliennes ne sont pas encore commercialisées, elles sont en cours d’industrialisation. La start-up attend les certifications et homologations pour être intégrée dans les plans de réseau urbain. L’équipe espère pouvoir produire des générateurs de 4 kilowatts destinés aux particuliers. L'objectif, à long terme, est un générateur de 1 mégawatt pour une hauteur de plus de 150 mètres . Trois différents formats sont prévus par les concepteurs :

• Un modèle de 3 m de hauteur pour une puissance de 100 W.
• Une éolienne qui servirait à un usage domestique, d’une hauteur de 12,5 m pour une puissance de 4 KW.
• Et un système plus grand (170 m de hauteur) en prévision d’une puissance de 1 MW, et qui ciblera de « plus gros clients, investisseurs dans les énergies renouvelables ou entreprises d’énergie ».

Fonctionnement

Les tourbillons d’air sont, habituellement, une véritable contrainte pour les structures. Ceux-ci provoquent effectivement de fortes vibrations qui peuvent abîmer les structures. C’est justement ce concept, que les inventeurs de l’éolienne sans ellipse ont utilisé.

La structure attire des tourbillons qui se développent à des fréquences déterminées en fonction de la vitesse à laquelle le vent se déplace, lorsque la fréquence des tourbillons ou vortex coïncide avec la fréquence de la structure, l'énergie peut être absorbée et atteint un pic grâce au couplage aéroélastique. Ce moyen de transmettre l'énergie provient d’un fluide (l’air) à une structure. Par ailleurs, des disques magnétiques qui s’auto-repoussent boostent les oscillations.

Par comparaison avec une éolienne conventionnelle, la turbine oscille, ce qui produit un mouvement et un déplacement. Le système est basé sur les mêmes principes qu'un alternateur : l'induction électromagnétique.

Matériaux utilisés

Les matériaux utilisés sont très proches de ceux utilisés pour les éoliennes conventionnelles.

Le mât est fait en composite de fibre de verre et de carbone. Ce sont ces matériaux qui permettent au mat d’osciller dans le vent, en profitant de l'effet de vortex. La tige qui se trouve au pied du mât est fait en fibre de carbone et son mouvement, à l'intérieur d'un alternateur linéaire, génère l'électricité.

De nombreux efforts sont faits pour recycler les structures composites, plus particulièrement ceux à base de fibre de carbone en raison du coût élevé des fibres neuves. La fibre de verre est plus difficile à valoriser. Broyer une pale d’éolienne produit près de 7 tonnes de déchets de fibre de verre ainsi que des poussières dangereuses pour la santé.

Avenir

L’éolienne sans pale répond plus rapidement aux changements de vent puisqu’elle capte les oscillations dans toutes les directions.

Les essais initiaux montrent que le vortex fonctionnera à moins de 20 hertz, ce qui signifie qu'il sera silencieux. Pour des vents ayant une vitesse de 16 m/s, la tour oscillait à environ 4 hertz. En cas de vents forts, un système de synchronisation dans le contrôleur modifie la fréquence de résonance naturelle dans la structure.

La startup s’attend donc à une réduction de 53 % des coûts de construction, de 51 % des coûts de fonctionnement, de 80 % des coûts de maintenance, de 40 % des émissions de CO₂ enfin, l’énergie produite aurait un coût inférieur de 40 %.

À ce jour, seuls deux prototypes ont été testés en conditions réelles, avec des résultats mitigés : le modèle produit de l'énergie avec un rendement 30% inférieur à des éoliennes conventionnelles. Selon David Suriol, un des inventeurs de l'éolienne, ce défaut serait compensé par le gain de place occasionné par la taille réduite de la machine.

Windbelt

Tout comme l’invention de l’éolienne Vortex, c’est à la suite de l’effondrement du pont de Tacoma Norrows que Shawn Frayn a eu l’idée d’inventer la Windbelt.

La Windbelt est une innovation qui s'articule autour de deux principes de base : « l'Aero elastic Flutter » et l’induction électromagnétique.

Le principe de « l'Aero elastic Flutter » implique des forces aérodynamiques qui agissent sur une structure permettant d'obtenir une oscillation auto-alimentée à haute énergie. Des vibrations aéroélastiques peuvent se produire dans n'importe quel objet assujetti au vent.

Le principe de l'induction électromagnétique vient de Michael Faraday. L'induction électromagnétique est la production de tension à travers un conducteur dans un champ magnétique changeant. En pratique, un champ magnétique changeant appliqué à travers un fil conducteur dans un circuit fermé générera de l'électricité.

C’est Shawn Frayn qui en 2004, invente ce dispositif de collecte de l’énergie et qu'il a commencé à être expérimenté en laboratoire.

Composants et principe de fonctionnement

C’est le ruban de polymère flexible tendu entre des supports positionnés de façon transversale au vent qui permet de convertir la puissance de l’air ou du vent en un mouvement. C’est cette oscillation qui permet de créer un courant électrique. En effet, la membrane vibre sous l'effet d'un battement aéroélastique. Sur cette dernière est disposée à chaque extrémité un aimant. Le mouvement vibratoire des aimants induit un courant par induction électromagnétique dans les bobines de captage.

La Windbelt est composée :

• D’un support : celui-ci est en aluminium et joue le rôle de cadre, il maintient l’ensemble de la structure.

• D’un ruban de polymère : c’est la partie du dispositif qui permet de transformer l’énergie du vent en mouvement de type oscillation lorsqu'il est exposé à un vent supérieur à 3 m/s. Ces oscillations sont appelées vibrations aéroélastiques. Le vent fait monter et descendre le ruban de haut en bas, à haute fréquence, qui est fabriqué avec du taffetas enduit de mylar.

• D'Aimants et de bobines : deux aimants à boutons sont attachés au ruban en ligne avec le centre des bobines de cuivre. Plus le champ magnétique est fort, plus le flux magnétique est important et donc plus le courant induit est grand. Avec le battement du ruban la polarité du champ à travers les bobines de cuivre s'inverse. C’est grâce à ce changement de polarité qu’un courant alternatif est créé. Les aimants sont fabriqués à partir d'un alliage de néodyme, de fer et d'acier et de bore pour former le cristallin tétragonal Nd2Fe14B.

Ce dispositif semble plus adapté à petite échelle parce qu'il n'y a pas d'engrenages ni de roulements, ce qui en fait une éolienne très résistante aux intempéries.

La Windbelt peut être réglée pour optimiser les vibrations aéroélastiques. Elle peut donc fonctionner à des vitesses de vents différentes et même à des vitesses de vents faibles. Les constructeurs prévoient une durée de vie du dispositif de 20 ans. La Windbelt servirait ainsi à l'alimentation des lumières en zone urbaine et rurale.

Critiques

La technologie Windbelt est encore au stade de prototype. Bien que de nombreux résultats en laboratoire sur des modèles réduits soient positifs, plusieurs controverses sont faites sur ces éoliennes. Certaines affirment que les chiffres sont encore assez décevants et que les dispositifs à plus grande échelle, pourraient tomber en panne et s'effondrer, tout comme le pont Tacoma, qui inspira Shawn Frayne. Shawn Frayne indique qu'à l'heure actuelle, le dispositif Windbelt produit une énergie assez constante à des vitesses de vent comprises entre 4 et 15 m/h. À des vitesses de vent plus élevées, l'augmentation de la production d'énergie n'est pas significativement proportionnelle à l'augmentation de la vitesse du vent. Frayne admet également que la Winbelt ne supporterait probablement pas des vents supérieurs à 50 m/h^{[à vérifier]}.

À ce jour, il reste donc à concevoir ces éoliennes à taille réelle .

Typhoon turbines

Les ouragans et tempêtes tropicales peuvent créer des vitesses de vents supérieures à 150 milles à l'heure, ce qui représente une grande quantité d’énergie.

Un ingénieur japonais, Atsushi Shimizu croit que ces grandes quantités d’énergie générée par des vents violents pourraient résoudre le problème de l'énergie verte au Japon. Shimizu a donc inventé une éolienne en forme de batteur à œufs, conçue pour résister aux forces d'une tempête et utiliser l’énergie fournit pour produire de l’électricité.

Un typhon mature produit un niveau d'énergie cinétique « équivalent à environ la moitié de la capacité de production d'électricité dans le monde », selon le laboratoire océanographique et météorologique de l'Atlantique.

Selon Shimizu, l’énergie d’un typhon pourrait propulser le Japon pendant 50 ans.

Historique

• En mai 2011, Atsushi Shimizu dépose son premier brevet, qu’on lui délivre en 2013. Il va démissionner de son poste et fonder la société Challenergy pour laquelle il obtient un financement afin de développer son éolienne « Typhoon turbines ».

• En mars 2014, l’invention se hisse à la première place du Tech Plan Grand Prix. À cette occasion, Atsushi Shimizu rencontre Keiichi Hamano, président de Hamano Products Co. À la suite de cette rencontre M.Hamno met à sa disposition, les ateliers incubateurs créatifs de sa société, Garage Sumida. En plus d’une campagne de financement participatif, le projet sera financé par la New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO), un groupe de recherche national qui soutient les entrepreneurs.

• En juillet 2015 : le premier prototype a été installé à Okinawa pour que l’équipe Challenergy puisse tester l’efficacité de l’éolienne. Son efficacité était de 30 %. Les éoliennes à hélices atteignent généralement une efficacité de 40 %, mais ne peuvent fonctionner en cas de typhons.

Fonctionnement

L’éolienne « typhoon turbines » est un générateur à axes verticaux, qui se sert de l’effet Magnus.

Les trois cylindres positionnés autour d’un axe vertical utilisent l’effet Magnus pour entrer en rotation, ce qui entraîne à son tour la rotation de tout le système. L’effet Magnus permet de réaliser, un niveau type de contrôle sur les pales de la turbine. La vitesse de la turbine peut être régulée en régulant la vitesse de rotation des cylindres. Ceci, afin d’éviter une rotation trop forte lors de vents violents et ainsi d’éviter l’endommagement de la structure et de son moteur. Ainsi, la production d’électricité pourrait être continue, même en cas de cyclone.

Cette forme permet d’éviter les collisions d’oiseaux et les émissions de bruit à basse fréquence de la turbine en rotation.

Enjeux pour l’avenir

L’entreprise Challenergy a pour ambition d’implanter la « typhoon turbines » dans les lieux publics tels que les hôpitaux, les écoles et les abris de secours. Ces infrastructures nécessitent au moins 10 kilowatts d’électricité. Pour générer cette quantité d’énergie, il faudrait une éolienne d’un diamètre 10 fois plus grand que les prototypes déjà expérimentés. De telles dimensions constituent un grand défi pour l’entreprise.

Atsushi Shimizu voudrait aussi installer ces éoliennes sur la Tokyo Tower ou sur des sites olympiques.

L'objectif est aussi d’implanter ces éoliennes nouvelle génération là où les typhons sont les plus violents, comme les Philippines. Cette île-pays, comme le Japon, subit de nombreux typhons chaque année. Ce sont donc des endroits idéals pour la production d’énergie éolienne à grande échelle.

Le but est de canaliser l’immense énergie produite par les typhons afin de générer l’électrolyse d’eau de mer et produire de l’hydrogène qui pourra être stocké.

Lors des 20 prochaines années, la société a pour ambition de construire des générateurs de la taille des géants à hélice.

Autres systèmes apparentés

La turbovoile fonctionnant sur le principe de l'effet Magnus, toutefois sans produire d'électricité, s'y apparente.

Voir aussi

• turbovoile